Исследователи из Японии добавили новый штрих к популярной теории и подготовили почву для формирования чудовищных черных дыр.
Ключевые выводы
- Новая теория развивает теорию прямого коллапса, объясняющую создание сверхмассивных черных дыр, вокруг которых вращаются галактики.
- Прогресс стал возможен благодаря сверхмощному компьютеру ATERUI II.
- Новая теория является первой, объясняющей вероятный набор тяжелых элементов в газовых облаках ранней Вселенной.
Похоже, почти каждая галактика, которую мы видим, вращается вокруг сверхмассивной черной дыры. Когда мы говорим «сверхмассивные», мы имеем в виду БОЛЬШИЕ: каждая из них примерно в 100 000-десяток миллиардов раз превышает массу нашего Солнца. Служа локусами, вокруг которых вращаются наши галактики, они явно важны для поддержания универсальных структур, которые мы видим. Было бы неплохо узнать, как они формируются. У нас есть довольно хорошее представление о том, как образуются обычно огромные, но не массивные черные дыры, но что касается сверхмассивных более крупных версий, то не так много. Это сверхмассивная недостающая часть головоломки вселенной.
Теперь, в исследовании, опубликованном в Monthly Notices of the Astronomical Society, астрофизики из Университета Тохоку в Японии сообщают, что они, возможно, разгадали загадку, подкрепленную новыми компьютерными симуляциями, которые показывают, как сверхмассивные черные дыры появляются.
Светящийся газ и темная пыль в Большом Магеллановом ОблакеИсточник изображения: ЕКА/Хаббл и НАСА
До сих пор излюбленной теорией рождения сверхмассивных черных дыр была теория «прямого коллапса». Теория предлагает решение космической загадки: сверхмассивные черные дыры, кажется, родились всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва, что слишком мало для того, чтобы разыгрался стандартный сценарий генезиса обычных черных дыр, и на таком большом шкала. Есть две версии теории прямого коллапса.
Одна версия предполагает, что если достаточное количество газа соберется в сверхмассивном гравитационно связанном облаке, оно может в конечном итоге коллапсировать в черную дыру, которая, благодаря природе очень ранней Вселенной, свободной от космического фонового излучения, затем может быстро притянуть достаточно материи, чтобы стать сверхмассивной за относительно короткий период времени.
По словам астрофизика Шантану Басу из Западного университета в Лондоне, Онтарио, это было возможно только в первые 800 миллионов лет существования Вселенной. «Черные дыры формируются всего около 150 миллионов лет и быстро растут в течение этого времени», - сказал Басу Live Science летом 2019 года.«Те, которые формируются в начале временного окна в 150 миллионов лет, могут увеличить свою массу в 10 тысяч раз». Басу был ведущим автором исследования, опубликованного прошлым летом в Astrophysical Journal Letters, в котором были представлены компьютерные модели, показывающие, что эта версия прямого коллапса возможна.
Другая версия теории предполагает, что гигантское газовое облако сначала коллапсирует в сверхмассивную звезду, которая затем коллапсирует в черную дыру, которая затем - предположительно опять же благодаря состоянию ранней Вселенной - всасывает достаточно материи, чтобы быстро стать сверхмассивной.
Однако в любой из теорий прямого коллапса есть проблема, выходящая за пределы ее относительно узкого временного окна. Предыдущие модели показывают, что он работает только с нетронутыми газовыми облаками, состоящими из водорода и гелия. Другие, более тяжелые элементы - например, углерод и кислород - разрушают модели, в результате чего гигантское газовое облако распадается на более мелкие газовые облака, которые в конечном итоге образуют отдельные звезды, конец истории. Ни сверхмассивной черной дыры, ни даже сверхмассивной звезды для второй разновидности теории прямого коллапса.
ATERUI IIИсточник изображения: NAOJ
Японская национальная астрономическая обсерватория имеет суперкомпьютер под названием «ATERUI II», который был введен в эксплуатацию в 2018 году. Исследовательская группа Университета Тохоку под руководством постдокторанта Сунмён Чона использовала ATERUI II для запуска 3D-изображений с высоким разрешением, долгосрочное моделирование для проверки новой версии идеи прямого коллапса, которая имеет смысл даже с газовыми облаками, содержащими тяжелые элементы.
Чон и его команда предполагают, что да, сверхмассивные газовые облака с тяжелыми элементами действительно распадаются на более мелкие газовые облака, которые в конечном итоге образуют более мелкие звезды. Однако они утверждают, что это еще не конец истории.
Ученые говорят, что после взрыва сохраняется огромное внутреннее притяжение к центру бывшего облака, которое притягивает все эти меньшие звезды, в конечном итоге заставляя их превращаться в единую сверхмассивную звезду, 10, 000 раз больше Солнца. Эта звезда достаточно велика, чтобы производить сверхмассивные черные дыры, которые мы видим, когда она, наконец, коллапсирует сама в себя.
«Впервые мы показали образование такой большой предшественника черной дыры в облаках, богатых тяжелыми элементами», - говорит Чон, добавляя: «Мы считаем, что гигантская звезда сформировалась таким образом. будет продолжать расти и развиваться в гигантскую черную дыру».
Моделирование поведения расширенного числа элементов в облаке при одновременном точном переносе этих моделей во время насильственного распада облака и его последствий требует таких высоких вычислительных затрат, что только такой продвинутый компьютер, как ATERUI II может осуществить.
Возможность разработать теорию, впервые учитывающую вероятную сложность газовых облаков ранней Вселенной, делает идею Университета Тохоку наиболее полным и правдоподобным объяснением таинственного сверхмассивного черного тела во Вселенной. отверстия. Казуюки Омукай из Университета Тохоку говорит: «Наша новая модель способна объяснить происхождение большего количества черных дыр, чем предыдущие исследования, и этот результат приводит к единому пониманию происхождения сверхмассивных черных дыр.”